操作系统实验七

操作系统

实验报告

哈尔滨工程大学

一、实验概述

1. 实验名称

物理存储器与进程逻辑地址空间的管理

2. 实验目的

通过查看物理存储器的使用情况，并练习分配和回收物理内存，从而掌握物理存储器的管理方法。

通过查看进程逻辑地址空间的使用情况，并练习分配和回收虚拟内存，从而掌握进程逻辑地址空间的管理方法。

3. 实验类型

验证

二、实验环境

OS Lab

三、实验过程

3.1 准备实验

按照下面的步骤准备实验：

1. 启动OS Lab。

2. 新建一个EOS Kernel项目。

3.2 阅读控制台命令“pm”相关的源代码，并查看其执行的结果

阅读ke/sysproc.c文件中第1059行的ConsoleCmdPhysicalMemory函数，学习“pm”命令是如何统计并输出物理存储器信息的。在阅读的过程中需要注意下面几点：

按照下面的步骤执行控制台命令"pm"，查看物理存储器的信息：

1. 按F7生成在本实验3.1中创建的EOS Kernel项目。

2. 按F5启动调试。

3. 待EOS启动完毕，在EOS控制台中输入命令"pm"后按回车。

观察命令执行的结果，如图所示，可以了解当前物理存储器的使用情况。

3.3 分配物理页和释放物理页

接下来，在pm命令函数中添加分配物理页和释放物理页的代码，单步调试管理物理页的方法。按照下面的步骤修改pm命令的源代码：

1. 使用OS Lab打开本实验文件夹中的pm.c文件（将文件拖动到OS Lab窗口中释放即可打开）。此文件中有一个修改后的ConsoleCmdPhysicalMemory函数，主要是在原有代码的后面增加了分配物理页和释放物理页的代码。

2. 使用pm.c文件中ConsoleCmdPhysicalMemory函数的函数体替换ke/sysproc.c文件中ConsoleCmdPhysicalMemory函数的函数体。

3. 按F7生成修改后的EOS Kernel项目。

4. 按F5启动调试。

5. 待EOS启动完毕，在EOS控制台中输入命令“pm”后按回车。

按照下面的步骤调试分配物理页和释放物理页的过程：

1. 结束之前的调试。

2. 在ke/sysproc.c文件的ConsoleCmdPhysicalMemory函数中，在调用MiAllocateAnyPages 函数的代码行（第1103行）添加一个断点，在调用MiFreePages函数的代码行（第1115行）添加一个断点。

3. 按F5启动调试。

4. 待EOS启动完毕，在EOS控制台中输入命令“pm”后按回车。

5. pm命令开始执行后，会在调用MiAllocateAnyPages函数的代码行处中断，按F11调试进入MiAllocateAnyPages函数。

6. 按F10单步调试MiAllocateAnyPages函数的执行过程，尝试回答下面的问题：

(1) 本次分配的物理页的数量是多少？分配的物理页的页框号是多少？

答：本次分配的物理页数量为一，分配的物理页框号是（PULONG_PTR）0xa0008a50. (2) 物理页是从空闲页链表中分配的？还是从零页链表中分配的？

答：由于是MiFreePageCount的值减一，所以本次分配是从空闲页链表中分配的。

(3) 哪一行语句减少了空闲页的数量？哪一行语句将刚刚分配的物理页由空闲状态修改为忙状态？

答：如图第152行语句完成了这些功能。

(4) 绘制MiAllocateAnyPages函数的流程图。

继续调试释放物理页的过程：

1. 按F5继续执行，会在调用MiFreePages函数的代码行处中断，按F11调试进入MiFreePages 函数。

2. 按F10单步调试MiFreePages函数的执行过程，尝试回答下面的问题：

(1) 本次释放的物理页的数量是多少？释放的物理页的页框号是多少？释放的物理页是之前分配的物理页吗？

答：本次释放的物理页的数量是一，释放的物理页框号是（PULONG_PTR）0xa0008a50，释放的物理页是之前分配地物理页。

(2) 释放的物理页是被放入了空闲页链表中？还是零页链表中？

答：由于 MiFreePageCount的值加一，所以释放地物理页被放入了空闲页链表中。

(3) 绘制MiFreePages函数的流程图。

3.4阅读控制台命令“vm”相关的源代码，并查看其执行的结果

阅读ke/sysproc.c文件中第959行的ConsoleCmdVM函数，学习“vm”命令是如何统计并输出进程的虚拟地址描述符信息的。

按照下面的步骤执行控制台命令"vm"，查看系统进程的虚拟地址描述符信息：

1. 按F5启动调试。

2. 待EOS启动完毕，在EOS控制台中输入命令"pt"后按回车。"pt"命令可以输出当前系统中的进程列表，其中系统进程的ID为1。

3. 在EOS控制台中输入命令“vm 1”后按回车。

观察命令执行的结果，如图15-3所示，可以了解系统进程的虚拟地址描述符信息。

可以按照下面的步骤执行控制台命令“vm”，查看当创建了一个应用程序进程后，系统进程和应用程序进程中虚拟地址描述符的信息：

1. 在“项目管理器”窗口中双击Floppy.img文件，使用FloppyImageEditor工具打开此软盘镜像。

2. 将本实验文件夹中的LoopApp.exe文件添加到软盘镜像的根目录中（将LoopApp.exe 文件拖动到FloppyImageEditor窗口中释放即可）。EOS应用程序LoopApp.exe的源代码可以参考本实验文件夹中的LoopApp.c文件。

3. 点击FloppyImageEditor工具栏上的保存按钮，关闭该工具。

4. 按F5启动调试。

5. 待EOS启动完毕，在EOS控制台中输入命令“A:\LoopApp.exe”后按回车。此时就使用EOS

应用程序文件LoopApp.exe创建了一个应用程序进程，由于此进程执行了一个死循环，所以此进程不会结束执行，除非关闭虚拟机。

6. 此时按Ctrl+F2切换到“Console-2”，然后输入命令“pt”后按回车。输出的信息如图所示。其中ID为31的进程就是应用程序进程，ID为33的线程就是应用程序进程的主线程。

7. 输入命令“vm 1”后按回车，可以查看系统进程中虚拟地址描述符的信息。输出的信息如图15-5所示。与图15-3比较可知，3号描述符所包含的一个虚拟页即为应用程序进程的句柄表，13号描述符所包含的两个虚拟页即为应用程序进程主线程的堆栈。

8. 输入命令“vm 31”后按回车，可以查看应用程序进程中虚拟地址描述符的信息。输出的信息如图所示。

3.5 在系统进程中分配虚拟页和释放虚拟页

接下来，在vm命令函数中添加分配虚拟页和释放虚拟页的代码，单步调试管理虚拟页的方法。首先，按照下面的步骤修改vm命令的源代码：

1. 使用OS Lab打开本实验文件夹中的vm.c文件（将文件拖动到OS Lab窗口中释放即可打开）。此文件中有一个修改后的ConsoleCmdVM函数，主要是在原有代码的后面增加了分配虚拟页和释放物理页的代码。

2. 使用vm.c文件中ConsoleCmdVM函数的函数体替换ke/sysproc.c文件中ConsoleCmdVM函数的函数体。

3. 按F7生成修改后的EOS Kernel项目。

4. 按F5启动调试。

5. 待EOS启动完毕，在EOS控制台中输入命令“vm 1”后按回车。

按照下面的步骤调试分配虚拟页和释放虚拟页的过程：

1. 在ke/sysproc.c文件的ConsoleCmdVM函数中，在调用MmAllocateVirtualMemory函数的代码行（第1082行）添加一个断点，在调用MmFreeVirtualMemory函数的代码行（第1147行）添加一个断点。

2. 按F5启动调试。

3. 待EOS启动完毕，在EOS控制台中输入命令“vm 1”后按回车。

4. vm命令开始执行后，会在调用MmAllocateVirtualMemory函数的代码行处中断。此时要注意参数BaseAddress和RegionSize初始化的值。按F11调试进入

MmAllocateVirtualMemory函数。

5. 按F10单步调试MmAllocateVirtualMemory函数的执行过程，尝试回答下面的问题：

(1) 分配的虚拟页的起始地址是多少？分配的虚拟页的数量是多少？它们和参数BaseAddress和RegionSize初始化的值有什么样的关系？

答：起始地址是（PVOID）0x0，分配的虚拟页数量是1，BaseAddress的初始化值代表起始地址RegionSize代表所要分配的虚拟页的数量。

(2) 分配虚拟页的同时有为虚拟页映射实际的物理页吗？这是由哪个参数决定的？

(3) 分配的虚拟页是在系统地址空间（高2G）还是在用户地址空间（低2G）？这是由哪个参数决定的？

(4) 参考MiReserveAddressRegion函数的定义和注释，说明该函数的功能。

继续调试释放虚拟页的过程：

1. 按F5继续执行，会在调用MmFreeVirtualMemory函数的代码行处中断。此时要注意参数BaseAddress和RegionSize初始化的值。按F11调试进入MmFreeVirtualMemory函数。

2. 按F10单步调试MmFreeVirtualMemory函数的执行过程，尝试回答下面的问题：

(1) 本次释放的虚拟地址是多少？释放的虚拟页是之前分配的虚拟页吗？

(2) 参考MiFindReservedAddressRegion函数、MiFreeAddressRegion函数和MiDecommitPages函数的定义和注释，说明这些函数的功能。

结束此次调试后，继续按照下列要求修改ConsoleCmdVM函数的源代码，加深对虚拟页分配和释放过程的理解：

1. 尝试在调用MmAllocateVirtualMemory函数时将RegionSize参数的值设置为PAGE_SIZE+1或者PAGE_SIZE*2+1。观察“输出”窗口中转储的信息，并说明申请虚拟内存的大小与实际分配的大小之间的关系，以及分配的虚拟内存大小会对分配的虚拟地址产生什么样的影响。将“输出”窗口中转储的信息保存在文本文件中。

2. 尝试在调用MmAllocateVirtualMemory函数时将BaseAddress参数的值设置

为已经被占用的虚拟内存，例如0xA0000000，观察“输出”窗口中转储的信息。将“输出”窗口中转储的信息保存在文本文件中。

3. 尝试在调用MmAllocateVirtualMemory函数时将RegionSize参数的值设置为PAGE_SIZE*2，将BaseAddress参数的值设置为0xA0017004，观察“输出”窗口中转储的信息，并说明申请虚拟内存的大小与实际分配的大小之间的关系，以及申请的虚拟地址会对分配的虚拟内存大小产生什么样的影响。将“输出”窗口中转储的信息保存在文本文件中。

3.6 在应用程序进程中分配虚拟页和释放虚拟页

3.6.1 要求

创建一个EOS应用程序，并编写代码完成下列功能：

1. 调用API函数VirtualAlloc，分配一个整型变量所需的空间，并使用一个整型变量的指针指向这个空间。

2. 修改整型变量的值为0xFFFFFFFF。在修改前输出整型变量的值，在修改后再输出整型变量的值。

3. 调用API函数Sleep，等待10秒钟。

4. 调用API函数VirtualFree，释放之前分配的整型变量的空间。

5. 进入死循环，这样应用程序就不会结束。

源程序如下：

#include "EOSApp.h"

#define X 10000

int *a;

int main()

{

if(a = VirtualAlloc(0,sizeof(int),MEM_RESERVE|MEM_COMMIT))

{

printf("Allocated %d bytes virtual memory of 0x%x\n",sizeof(int),a);

printf("\n");

printf("virtual memory original value:0x%x\n",*a);

*a = 0xFFFFFFFF;

printf("\n");

printf("virtual memory new value:0x%x\n",*a);

printf("\n");

printf("Wait for 10 seconds");

printf("\n");

Sleep(X);

if(VirtualFree(a,0,MEM_RELEASE))//

{

printf("\n");

printf("Realease virtual memory success!");

}

else

{

printf("\n");

printf("realease error");

}

printf("\n");

printf("\nEndless loop!");

while(1)

{

};

}

else

{

printf("Error!\n");

return 0;

}

printf("Success!\n");

return 1;

}

3.6.2 测试方法

1. 代码修改完毕后，按F7生成EOS应用程序项目。

2. 按F5启动调试，应用程序自动执行后输出的结果可以参照图15-8所示。

3. 在应用程序分配虚拟页后，利用10秒后才释放虚拟页的间隙，可以在控制台2中执行命令“vm 31”，查看此时应用程序进程的虚拟地址描述符信息；在应用程序释放虚拟页后，可以在控制台2中再次执行命令“vm 31”查看此时应用程序进程的虚拟地址描述符信息。

四、实验体会

本次实验我通过查看物理存储器的使用情况，并练习分配和回收物理内存，从而掌握物理存储器的管理方法。通过查看进程逻辑地址空间的使用情况，并练习分配和回收虚拟内存，从而掌握进程逻辑地址空间的管理方法。